垃圾气力输送管路输运特性试验研究

杨 非，杨磊锋，李加文，马殿旗

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾气力输送管路输运特性试验研究

杨 非，杨磊锋，李加文，马殿旗

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾气力输送是一种具有发展潜力的垃圾收集方式，众多城市开始关注并建设类似系统。依托中新天津生态城正在投入使用的垃圾气力输送系统进行现场试验测量，获得该系统的风速、压力、速度等关键参数，研究系统的输运特性，为垃圾气力输送系统的设计、运营维护提供参考。

垃圾气力输送；试验研究；压力；速度

引言

垃圾气力输送系统由瑞典的Envac集团于1961年发明，最早用于医院垃圾收集，从1967年开始在住宅区使用。目前已推广至美国、德国、丹麦、日本、新加坡、香港等三十多个国家和地区，安装运行达数千套[1、2]。主要用于高层公寓楼房、现代化住宅密集区、商业密集区及一些对环境要求较高地区。其对提高环境质量的作用已逐渐被认可，被誉为是一种新型、绿色、智能、高效的垃圾收运方法，是实现垃圾“减量化、资源化、无害化”，提高城市垃圾处理水平的有效途径。

管路输运特性是垃圾气力输送系统工作运行的核心，反应系统运行过程中的各种参数的内在关联。本文依托中新天津生态城南部片区正在投入使用的垃圾气力输送系统进行试验测量，研究了该系统的管路输运特性。

1 试验目的

在垃圾的气力输送过程中，风机为垃圾气力输送系统提供动力，使管道内产生高速负压气流，通过气流推动实现垃圾在管道中的输送。系统中的风机风量、管道压力损失及垃圾的输运速度是系统至关重要的特性参数，直接影响到垃圾气力输送系统的设计、管道排布等方面。通过现场试验测量，获得垃圾气力输送系统的关键参数，研究系统的输运特性，揭示系统各关键参数的内在关联，从而实现对垃圾气力输送系统设计核心、关键技术的消化吸收。

2 试验内容

管路输运特性试验测量主要分为三部分：1）系统空载（管道无垃圾）状态下，管路的沿程压力测量；2）系统负载（管道有垃圾）状态下，管路的沿程压力测量；3）系统负载（管道有垃圾）状态下，垃圾的输送速度测量。通过这三部分的试验测量，获得系统的输运特性参数。

3 试验测量方案

3.1 试验测量管路

垃圾气力管道输送系统的管道铺设，与自来水管、煤气管和排水管等其它城市基础设施类似。输送管道埋于地下，在管道的弯管前后及直管上设置有检修口，用于管道堵塞时的检修疏通。试验选取中新天津生态城南部片区2#垃圾气力输送系统的一条完整的气力输送管线进行试验测量，该气力管路全长1210m，管道的末端是进气口和垃圾投放口，管道的首端通过一个22.5°的弯头从地下连接到地表的中央垃圾收集站，管路走向如图1所示。

图1 试验测量管路

试验管道的户外地埋部分共设置有14个检修口，试验测量时在管道上的检修口中打孔安装仪器仪表进行数据测量。仪器仪表的安装位置见图1，管路上共设置17个压力测量点、22个速度测量点、1个压差测量点。

3.2 试验数据采集系统

（1）硬件系统

试验测量的传感器主要包括压力传感器和速度传感器两类，通过电缆将传感器信号输入电脑进行采集。由于测试管线长度较大，无法将全部传感器通过电缆与测试电脑相连，故采用PLC1200主从站方式，即在中央垃圾收集站内设置主站，沿测量管线设置四个从站，主从站间通过无线传输通信，主站及从站均使用24V/15Ah锂电池供电。上位机软件Wincc进行组态界面与数据处理，主站与上位机（笔记本电脑）通过总线进行通信。

（2）软件系统

试验数据采集系统使用两套软件分别为Step7及博图Wincc（256点）。Step7主要完成下位机程序编制实现数据采集、无线通讯、定时通讯等功能；Wincc主要完成上位机试验工艺组态，具有试验数据实时显示，试验数据存储并打印等功能。

（3）测量原理

压力测量采用压力变送器，垃圾速度测量采用反射型光电开关，管道内的风速通过文丘里管的压差进行测量。垃圾运动速度的测量原理如图2所示：1#与2#光电传感器布置于长度为L的管路上，垃圾在管路中运动，当被投放的垃圾通过1#光电传感器时，CPU接受到1#光电传感器信号并计下当前时刻t0，当被投放的垃圾通过2#光电传感器时，CPU接受到2#光电传感器信号并计下当前时刻t1，CPU通过公式V = L/（t1 - t0）求得被投放的垃圾通过L长度管段时的平均速度。管路的沿程压力及垃圾的输送速度，现场试验测量如图3所示。

图2 垃圾速度测量原理

图3 试验数据现场测量

3.3 试验物料

由于生活垃圾的体积、密度不好控制，试验时采用打包好的物料包模拟生活垃圾进行测量。城市生活垃圾是居民生活中产生的固体废物，主要包括居民生活垃圾、清扫垃圾和社会团体垃圾。根据天津市环境工程设计研究院对天津市城市生活垃圾排放现状及成分的分析，城市生活垃圾成分统计结果如表1。

厨房垃圾是居民生活垃圾的主要成分，重量百分比达60%～65%，其次是塑料、橡胶等物品，重量百分比为12%～15%，纸类废弃物重量百分比为12%～15%，玻璃重量百分比为5%～6%，纺织物重量百分比为4%，木块和无机物重量百分比均为2%，金属重量百分比为1.5%。城市生活垃圾的组分及比例统计见表2。

表1 天津市2001～2010年城市生活垃圾组分（湿重%）[3]

表2 城市生活垃圾组分比例及密度统计表

基于以上调研分析，试验物料包的密度分别为400kg/m3、600kg/m3、800kg/m3、1000kg/m3、1200kg/m3、1600kg/m3，物料包的密度涵盖生活垃圾密度的93%左右。

根据垃圾气力输送系统垃圾投放口的尺寸400×400（cm），居民投放垃圾的垃圾体积3～10L。为模拟不同迎风面积对垃圾输送的影响，设置4种不同迎风面积的物料包，分别占管道横截面的1/3、1/4、1/5、1/9，对应体积为12L、7L、5L、2.5L；将6种密度的物料装入40×60（cm）规格的麻袋并打包成球形，对应直径为141mm、122mm、109mm、81mm，气力输送管道内径为488mm。

4 试验数据分析

4.1 试验数据

在空载（管道无垃圾）状况下，测量管道内6种风速下的管路沿程压力值分布，试验数据见表3。

在负载（管道有垃圾）状况下，同时测量管路的沿程压力值分布及垃圾的输送速度。试验测量6种风速工况下，4种体积、6种密度的物料包，共144组压力、速度数据，本文选取其中有代表性的几组进行说明。

表3 空载试验数据

在管道风速为37m/s时，7L、600kg/m3的物料包在管道内输运时，管路的沿程压力值分布数据见表4。

表4 负载试验数据（压力）

在管道风速为33.28m/s、35.55m/s、36.79m/s时，7L、400kg/m3的物料包的输运速度数据见表5。

4.2 试验数据分析

根据试验数据，空载情况下，压力损失主要是管道的沿程阻力损失和局部损失等，压力变化和流速的平方成正比。当管路中的气体通过弯头、爬坡等组件时，其压力会有明显减小的现象，即压力损失比较明显（见图4）。

根据试验数据，系统空载运行和负载运行时，管路的压力变化很小，压力波动最大为6%，因此垃圾在管路中的运动对整管压力影响非常小，可忽略不计，这也说明该垃圾气力输送系统工作运营时的余量很大（见图5）。

表5 负载实验数据（速度）

图4 不同工况下管路沿程压力分布

图5 空载和负载通过时管路沿程压力分布

根据试验数据，在同体积同密度下，风速越大，物料包的跟随性越好，其中管路中的22.5°大爬升和90°弯头对垃圾的速度影响最为突出（见图6）。

图6 负载7L、400kg/m3物料包速度分布

5 结语

由于垃圾气力管道输运特性试验受到试验工况和测量位置的限制，能够测得的数据有限，建议采用数值仿真的方法进行大量补充计算，为掌握系统的运行特性及规律，积累足够的数据量，从而进一步研究垃圾气力输运机理，为系统的设计运营、工艺参数的优化、设备效率的提高创造条件。

[1] 钟亚力，杨章印.真空管道垃圾收集系统介绍[J].环境卫生工程，2007，15（2）：21-22.

[2] 林洪，周敬宣，段金明.气力管道输送系统在垃圾收运领域的应用研究[J].环境保护科学，2006，32（4）：36-37.

[3] 彭卫国，何俊宝，姚庆军，等.天津市城市生活垃圾物理组成及影响因素分析[J].环境卫生工程，2014，22（3）：12-13.

Experimental Study on Transport Characteristics of Garbage Pneumatic Conveying Pipeline

YANG Fei, YANG Lei-feng, LI Jia-wen, MA Dian-qi
(Machine & Science Development Science and Technology Co., Ltd, Beijing 100044, China)

Garbage pneumatic transportation is one kind of garbage collection modes with development potentiality and many cities begin to pay more attention to the construction of similar systems. Relying on the Sino-Singapore Tianjin Eco-town that is putting into use of the transportation system of garbage pneumatic, the paper carries out the test measurement on site and gains the key parameters of wind speed, pressure and speed of the system. The transport properties of the research system provide the references for the design of transportation system for garbage pneumatic, operation and maintenance.

garbage pneumatic transportation; experimental study; pressure; speed

X705；TH232

A 文章编号：1006-5377（2017）07-0066-04